Anita Wawrzak

4. Klasyfikacje geoinżynierskie masywów skalnych i gruntowych

Klasyfikacje masywu skalnego i gruntowego stanowią proste i użyteczne narzędzie, które razem z badaniami laboratoryjnymi, polowymi, metodami analitycznymi i numerycznymi wspomaga projektowanie inżynierskie. Umożliwiają wstępne oszacowanie parametrów wytrzymałościowych i odkształceniowych masywu skalnego oraz ocenę parametrów obudowy.

Klasyfikacje masywu skalnego dzielą górotwór na poszczególne klasy przy czym każdej z nich przypisują określone właściwości, które mogą być wykorzystywane przy projektowaniu, wyborze sposobu drążenia, doborze obudowy i analizie stateczności obiektów budowlanych w masywie skalnym.

Klasyfikowanie gruntów polega na zaliczeniu gruntu do grupy odznaczającej się podobnymi właściwościami jak: uziarnienie (oznaczane metodą sitową i sedymentacyjną) i plastyczność (dla gruntów spoistych oznaczane przy pomocy wskaźnika plastyczności i graniczy plastyczności).

1. Klasyfikacje gruntów

1. Klasyfikacja amerykańska (ujednolicony system klasyfikacji gruntów – UC)

• Grunty sklasyfikowane pod względem wielkości ziaren

• Występują 3 typy gruntów:

• Gruboziarniste – żwiry, piaski

• Drobnoziarniste – pyły i iły, podział na grunty organiczne i nieorganiczne, uwzględniający ich plastyczność oznaczoną metodą Casagrande’a

• Grunty o wysokiej zawartości substancji organicznej

• Dla gruntów nieorganicznych pierwsza litera oznacza podstawowy skład granulometryczny otrzymany z analizy sitowej: żwir (G – gravel), piasek (S – sand), pył (M – silt), ił – (C – clay). Druga litera opisuje dodatkowe cechy. Dla gruntów gruboziarnistych – stopień wysortowania i ilość domieszki iłu i/lub pyłu (W – dobrze uziarnione, P – słabo uziarnione). Dla gruntów drobnoziarnistych – plastyczność (L – grunty o niskiej plastyczności, H – grunty o wysokiej plastyczności)

• Oznaczenia dla gruntów organicznych: organiczne (O – organic), torf (PT – peat)

2. Klasyfikacja wg Komisji IAEG

• W porównaniu do klasyfikacji amerykańskiej dokonano dodatkowego oznaczenia gruntów składających się z najdrobniejszych frakcji pyłu i iłu o wymiarach < 0,06 mm i opisano je symbolem F (ang. fines)

• Grunty drobnoziarniste, na podstawie wykresu Casagrande’a, podzielono na 5 grup ze względu na plastyczność (L – grunty o niskiej plastyczności, I – grunty o średniej plastyczności, H – grunty o wysokiej plastyczności, V – grunty o bardzo wysokiej plastyczności, E – grunty o ekstremalnie wysokiej plastyczności)

1. Klasyfikacje masywu skalnego

1. Terzaghiego

• Pierwsza klasyfikacja przeznaczona do wykonywania tuneli w gruntach

• Wynik obserwacji zachowania się gruntu podczas drążenia tuneli

• W pierwowzorze grunt podzielono na 6 klas: grunty mocne (firm), łuszczące się (raveling), skłonne do zaciskania (squeezing), sypkie (running), pływające (flowing), pęczniejące (swelling)

• W klasyfikacji nie występowały żadne parametry liczbowe

• Poszczególne typy gruntu były scharakteryzowane w sposób opisowy

2. Deere (RQD)

• Ocena jakości masywu skalnego na podstawie analizy podzielności rdzenia wiertniczego

• Klasyfikacja jednoparametrowa

• Wskaźnik podzielności rdzenia wiertniczego $RQD = \frac{\sum_{}^{}L_{k}}{L} \bullet 100\%$

L_k – suma długości kawałków rdzenia większych od podwojonej średnicy rdzenia

L – długość rdzenia

• Klasyfikacja ta nie zdobyła większej popularności, ale wskaźnik RQD stał się jednym z podstawowych składników najbardziej rozpowszechnionych obecnie na świecie klasyfikacji (RMR, Q, GSI)

3. Wickhama (RSR)

• Metoda opracowana w oparciu o wykonywanie tuneli o małych średnicach w obudowie stalowej (ograniczone zastosowanie)

• Wartość RSR jest sumą 3 parametrów RSR = A+B+C

• Parametr A – Geologia

• Pochodzenie skał (wylewne, metamorficzne, osadowe)

• Twardość skał (twarde, średnie, miękkie, rozpadające się)

• Struktura geologiczna (masywna, lekko/umiarkowanie/silnie sfałdowana/zuskokowana)

• Parametr B – Geometria

• Odległość spękań

• Orientacja spękań

• Kierunek drążenia tunelu

• Parametr C – Hydrologia

• Kombinacja parametrów A i B

• Charakterystyka spękań (dobre, średnie, słabe)

• Ilość dopływającej wody

• Wartość RSR może wynosić maksymalnie 100 punktów

4. Bieniawskiego (RMR – Rock Mass Rating)

• Wskaźnik jakości masywu skalnego oblicza się na podstawie 6 parametrów:

1. Wytrzymałości na jednoosiowe ściskanie Rc

2. Wskaźnika stopnia spękania masywu skalnego RQD

3. Średniej odległości pomiędzy nieciągłościami

4. Charakterystyki nieciągłości

5. Stopnia zawodnienia masywu skalnego

6. Przestrzennej orientacji nieciągłości w stosunku do kierunku drążenia tunelu

• Klasyfikacja wykorzystywana na całym świecie i w związku z nabywanym doświadczeniem ciągle modyfikowana

• Stworzono związki empiryczne pozwalające określać parametry odkształceniowe i wytrzymałościowe górotworu na podstawie wskaźnika RMR

• RMR niedokładnie opisuje zachowanie się bardzo słabego masywu skalnego (klasa V)

• Klasyfikacja może być wykorzystana do: oszacowania rozpiętości niepodpartego stropu i czasu jego utrzymania, wielkości ciśnienia na obudowę, wyboru metody drążenia, doboru obudowy itp.

5. Bartona, Liena i Lunde (Q)

• Cel: sklasyfikowanie górotworu przy pomocy jednej wartości wskaźnika jakości Q

$$Q = \frac{\text{RQD}}{J_{n}} \times \frac{J_{r}}{J_{a}} \times \frac{J_{w}}{\text{SRF}}$$

• Wartość wskaźnika Q zależy od:

• Liczby systemów spękań – Jn

• Chropowatości powierzchni spękań – Jr

• Zwietrzenia ścianek szczelin – Ja

• Zawodnienia – Jw.

• Stanu naprężenia - SRF

• Wartość wskaźnika Q zmienia się od 0,001 do 1000. W zależności od tej wartości masyw skalny dzieli się na 9 klas

• W klasyfikacji nie uwzględnia się orientacji spękań

6. Hoeka – Browna (GSI)

• Wskaźnik GSI jest sumą punktów za 5 parametrów: wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie, RQD, odległość nieciągłości, charakterystyka nieciągłości, zawodnienie)

• Wskaźnik jest używany do oszacowania parametrów kryterium wytrzymałościowego Hoeka – Browna

7. Thiela (KF)

• Klasyfikacja dla fliszu karpackiego (naprzemianległe warstwy twardych piaskowców i miękkich łupków, skomplikowana tektonika)

• 5 parametrów opisujących fliszowy masyw skalny:

1. Wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie piaskowców R_c [MPa]

2. Rozstaw spękań [m]

3. Zawartość piaskowca w masywie [%]

4. Stopień zaburzenia tektonicznego (zaangażowanie tektoniczne)

5. Warunki wodne